《一款不带变压器的低成本、非隔离式 AC DC 降压转换器》.pdf

一 款不带变压器的低成本、非隔离式 AC/DC 降压转换器 作者：Jeff Falin 德州仪器 (TI) 高级应用工程 和 Dave Parks TI 资深实验室研 究员 基本降压转换器 TPS64203 是一款磁滞降压转换器，专为驱动高端 pFET 而设计，拥有最小导通 和断开开关时间要求。传统的磁滞转换器有随负载电流变化的开关频率，与其不 同的是，最小导通和断开时间在转换器以高输出功耗电平在连续导通模式下运行 时，从根本上控制开关频率。TPS6420x 系列中的其他一些转换器可主动避免在 声频范围内进行开关操作，从而有效地获得最大导通和断开时间。TPS6420x 系 列起初是为电池供电型应用而设计，拥有 1.8V 到 6.5V 的输入电压范围，以及 非常低的静态电流（最大为 35 μA ）。在启动期间，TPS64203 被齐纳二极管 D2 以及高压电阻 R2 和 R3 偏置。5-V 电压轨上升以后，肖特基二极管 D4 允许 5-V 输出轨驱动控制器。 图 1 AC/DC 降压转换器电路 功率 FET Q4 必须具有足够高的 VDS 电压额定值，以使其不会被输入电压损 坏，同时还要有足够高的电流额定值，以处理 IPMOS(RMS) = IOUT(max) ×√D ax 。它的 2 封装还必须能够驱散 PCond = (IOUT(max) × √D ax) × RDS(on) 。一般来说，高压 P 通 道 FET 有一个过大的栅极电容或者导通/ 断开时间，过高的漏－源电阻 (RDS(on)) ，过大的阈值电压 (VTH) ，以和/或制造图 1 所示实际电路时的过高成本 （即足够的成本效益）。由于 230 VRMS + 10% 容差的高压线来自 350-VPK AC 线，因此 FET 、滤波器和输入电容需要根据 400V 设定额定值。 FQD2P40 相对较新，即 400-V P 通道 MOSFET 。利用 10-V 栅极驱动的 5.0Ω RDS(on) 以及小于 13nC 的总选通电极充电，借助于由 Q2 、Q3 、C4 和 D3 组 成的创新驱动电路，该 FET 可轻松地通过控制器开关拥有比老式 FET 相对更 少的导电和开关损耗。我们选择转换器的整流肖特基二极管 D5 ，因为它拥有可 阻止输入电压的电压额定值、稍高于输出电压的峰值电流额定值，以及 IDiode(Avg) =(1 – D) × IOUT(max) 的平均电流额定值。利用 D ax o f 5 V/120 V = 0.04 以及如此 低的输出功率，峰值电流额定值和功耗在两种开关中都不成问题。 降压功率级的 LC 滤波器如 TPS6420x 系列产品说明书中介绍那样设计。利用 高于输出电压的输入电压，所有 TPS6420x 控制器将运行在最小导通时间模式 下。方程式 1 计算高线压下的建议降压转换器电感，其假设电感纹波电流系数 的 K=0.4 。 相对较高的 K 值最小化了电感值，并且经证明是可以接受的，因为这种特殊应 用的稳态输出纹波要求小于 0.02 × VOUT ，即高负载时的 100mVPP 。磁滞后， TPS6420x 控制器一般在输出电压有一些纹波时工作效果最佳。我们建议使用至 少 50-mΩ ESR 的输出电容可产生 ΔVPP(ESR) = ΔIL × RESR 的纹波电压，其一般 远超出电压纹波的电容分量。图 2 显示了该应用的测得纹波。